MOCVD外延生长概述

HVPE是二十世纪六七十年代的技术，由于它生长速率很快（一分钟一微 米以上），不能生长量子阱、超晶格等结构材料，在八十年代被MOCVD、 MBE（分子束外延）等技术淘汰。然而，恰是由于它生长速率快，可以 生长氮化镓衬底，这种技术又在“死灰复燃”并受到重视。可以断定，氮 化镓衬底肯定会继续发展并形成产业化，HVPE技术必然会重新受到重视。 与高温提拉法相比，HVPE方法更有望生产出可实用化的氮化镓衬底。不 过国际上目前还没有商品化的设备出售。
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氮化镓衬底
用于氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶 材料，这样可以大大提高外延膜的晶体质量，降低 位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提 高器件工作电流密度。可是，制备氮化镓体单晶材 料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。 有 上研生究 长人 氮员 化通 镓过 厚膜HV，PE然方后法通在过其剥他离衬技底术(如实A现l2O衬3、底S和iC) 氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外 延用的衬底。这样获得的氮化镓厚膜优点非常明显， 即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位错密度，比在 A低l2；O3但、价Si格C上昂外贵延。的因氮而化氮镓化薄镓膜厚的膜位作错为密半度导要体明照显明 的衬底之用受到限制。
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Si衬底上生产GaN外延
外延 衬底
MOCVD外延生长概述
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MOCVD外延生长概述
衬底材料的选择
衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底 材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封 装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬 底材料的选择主要取决于以下九个方面：
[1]结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结 晶性能好、缺陷密度小；
国内外Al2O3衬底今后的研发任务是生长大直径的 Al2O3单晶，向4-6英吋方向发展，以及降低杂质污染 和提高表面抛光质量。
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SiC衬底 市除场了上Al2的O3占衬有底率外位，居目第前二用，于目氮前化还镓未生有长第衬三底种就衬是底SiC用，于它氮在化 镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性 好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方 面 好也、很机突械出加，工如性价能格 比太较高差、。晶另体外质，量SiC难衬以底达吸到收A3l28O03和nmS以i那下么 的紫外光，不适合用来研发380 nm以下的紫外LED。由于SiC 衬 率底型优氮异化的镓的LED导器电件性采能用和倒导装热焊性技能术，解不决需散要热象问A题l2O，3衬而底是上采功 用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件 的散热问题，故在发展中的半导体照明技术领域占有重要地 位。 目前国际上能提供商用的高质量的SiC衬底的厂家只有美国
目前国内外研究氮化镓衬底是用MOCVD和HVPE两台设备分开进行的。即 先用MOCVD生长0.1～1微米的结晶层，再用HVPE生长约300微米的氮化 镓衬底层，最后将原衬底剥离、抛光等。由于生长一个衬底需要在两个 生长室中分两次生长，需要降温、生长停顿、取出等过程，这样不可避 免地会出现以下问题：①样品表面粘污；②生长停顿、降温造成表面再 构，影响下次生长。
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目A前l2用O于3衬氮化底镓生长的最普遍的衬底是Al2O3，其优 点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制 造技术相对成熟；不足方面虽然很多，但均一一被 克服，如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服， 导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差 不易切割通过激光划片所克服，很大的热失配对外 延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性 在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功 率型器件大电流工作下问题十分突出。
CREE公司。国内外SiC衬底今后研发的任务是大幅度降低制造 成本和提高晶体结晶质量。
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Si衬底
在硅衬底上制备发光二极管是本领域里梦寐以求的一件事情， 因为一旦技术获得突破，外延生长成本和器件加工成本将大 幅度下降。Si片作为GaN材料的衬底有许多优点，如晶体质 量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和 热稳定性等。然而，由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大 的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非 晶氮化硅，所以在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的 GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率 低。 目前国外文献报导的硅衬底上蓝光LED光功率最好水平是 420mW，是德国Magdeburg大学研制的。日本Nagoya技术研 究所今年在上海国际半导体照明论坛上报道的硅衬底上蓝光 LED光输出功率为18 mW。
[2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强； [3]化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀； [4]热学性能好，包括导热性好和热失配度小； [5]导电性好，能制成上下结构； [6]光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小； [7]机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等； [8]价格低廉； [9]大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。
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用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比
较
衬底材料
Al2O3 SiC
晶格失配度 差
中
Si
ZnO GaN
差
良
优
界面特性 良
良
良
良
优
化学稳定性 优
优
良
差
优
导热性能 差
优
优
优
优
热失配度 差
中
差
差
优
导电性
差
优
优
优
优
光学性能 优
优
差
优
优
机械性能 差
差
优
良
中
价格
中
高
低高Biblioteka 高尺寸中中 大 MOCVD外延生长概述
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氮化镓衬底生产技术和设备
从高压熔体中得到了单晶氮化镓体材料，但尺寸很小，无法使用，目前 主要是在蓝宝石、硅、碳化硅衬底上生长。虽然在蓝宝石衬底上可以生 产出中低档氮化镓发光二极管产品，但高档产品只能在氮化镓衬底上生 产。目前只有日本几家公司能够提供氮化镓衬底，价格奇贵，一片2英寸 衬底价格约1万美元，这些衬底全部由HVPE（氢化物气相外延）生产。